JP7158811B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関を有する内燃機関の制御装置に関する。

従来、内燃機関を搭載した自動車においてエンジン回転が安定を失い急激に低落することはエンジンストールの発生等につながるため、これを回避するための種々の技術が知られている。

例として、特許文献１には、内燃機関の駆動力により発電して電力を電装系その他の負荷に供給する発電機における当該負荷の増加による電力変動が内燃機関の回転数を急激に低落させることに着目して、発電機のコイルを流れる励磁電流の許容される上限値を指令することにより、発電機による発電量の増大に伴うエンジン回転の不安定化を適切に抑制する技術が提案されている。

特開２０１６－４６９２５号公報

一方、エンジン回転の急激な低落を直接的に抑制するには、内燃機関へ供給する空気量や燃料量を増加させることが行われているが、これは燃費の増加や自動車のドライバビリティの悪化を引き起こしてしまう。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、低燃費にてエンジン回転の急激な低落を抑制することを可能とする、内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面は、駆動力の一部を発電機の駆動に用いる内燃機関の制御装置であって、前記発電機のトルクの上限を、前記内燃機関の燃焼室内の燃焼状態に応じて制限する制御を行うトルク制御手段を備え、前記トルク制御手段は、前記内燃機関の燃焼室内の圧力変化のピーク及びそのピークの前後を与える燃焼時間を、前記内燃機関の燃焼室内のイオン電流の測定に基づき推定し、推定した前記燃焼時間を、予め設定された基準となる燃焼状態を与える基準値の最小値である最小基準値及び最大値である最大基準値の各々と比較することにより、前記内燃機関の燃焼室内の燃焼状態を判定するものであり、前記燃焼時間が、前記最小基準値以下である場合である場合、第１の燃焼状態と判定し、前記燃焼時間が、前記最小基準値よりも大きく、且つ、前記最大基準値よりも小さい場合、第２の燃焼状態と判定し、前記燃焼時間が、前記最大基準値以上である場合、第３の燃焼状態と判定し、前記第１の燃焼状態、前記第２の燃焼状態及び前記第３の燃焼状態の各々に応じた互いに異なる制御に基づき、前記発電機のトルクの上限を制限するものである、内燃機関の制御装置である。
また、本発明の第２の側面は、前記トルク制御手段は、前記内燃機関の燃焼室内の燃焼状態を前記第１の燃焼状態又は前記第３の燃焼状態であると判定した場合、前記内燃機関の燃焼室内の燃焼状態の推定開始時から前記判定時までの時間を滞在時間として計測し、前記滞在時間に対応する定数又は変数を用いて、前記発電機のトルクの上限の制限に用いる、前記内燃機関の回転数と吸気管圧力との関係を設定する、本発明の第１の側面の内燃機関の制御装置である。

なお、本発明は他の側面として、前記発電機のトルクの上限は、前記内燃機関の燃焼室内の燃焼状態に応じて動的に制限されるものであってもよい。

更に、本発明は他の側面として、前記トルク制御手段は、前記発電機のトルクの上限を、前記内燃機関の回転数及び前記内燃機関の吸気圧との相関として定められた所定のパラメータに基づき決定するものであり、前記所定のパラメータは前記内燃機関の燃焼室内の燃焼状態毎に異なるものであってもよい。

以上のような本発明は、低燃費にてエンジン回転の急激な低落を抑制することが可能になるという効果を奏する。

本発明の実施の形態に係る車両の内燃機関の構成を模式的に示すブロック図 本発明の実施の形態に係る内燃機関の要部の構成を模式的に示すブロック図 本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置の動作のフローチャート 本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置の動作に用いられる内燃機関の燃焼内の圧力と時間との関係を説明するための図 （ａ）本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置の動作に用いられる制御テーブルを示す図（ｂ）本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置の動作に用いられる制御テーブルを示す図（ｃ）本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置の動作に用いられる制御テーブルを示す図 本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置の動作に用いられる比率定数を決定する動作のフローチャート 本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置の動作に用いられる比率定数と滞在時間との対応テーブルを示す図

図１は、本発明の実施の形態に係る、ガソリン自動車に搭載された内燃機関の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態の内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジン２０を例に取り、複数の気筒２１を有する。各気筒２１について、吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ２１ａが設けられる。また、気筒２１の燃焼室２１ｘの天井には、点火プラグ２１ｂが設けられる。点火プラグ２１ｂは、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起する。点火コイルは、例えば半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

点火プラグ２１ｂにはイオン電流を測定するためのバイアス用電源１６及びイオン電流測定部１７が接続される。バイアス用電源１６は、点火プラグ２１ｂの点火後イオン電流を燃焼室内に流すための電圧を点火プラグ２１ｂに印加する。イオン電流測定部１７はＥＣＵ１０に接続され、燃焼中の火炎に電圧を印加することにより発生したイオン電流を計測し、イオン電流に対応する信号としてＥＣＵ１０に入力する。

燃焼室２１ｘの天井には、吸気カムシャフト２１ｆにより開閉する一対の吸気バルブ２１ｆ１及び排気カムシャフト２１ｇにより開閉する一対の排気バルブ２１ｇ１が設けられる。複数の気筒２１のそれぞれの一対の吸気バルブ２１ｆ１は、図の表示面を垂直に貫く向きに延伸する同一の吸気カムシャフト２１ｆにより連結され、同様に、複数の気筒２１のそれぞれの一対の排気バルブ２１ｇ１は吸気カムシャフト２１ｆと平行な同一の排気カムシャフト２１ｇにより連結される。

更に、一対の吸気バルブ２１ｆ１及び一対の排気バルブ２１ｇ１の近傍には、図視しないタイミングセンサがバルブ毎に設けられる。タイミングセンサは具体的には光電センサ等により実現され、吸気バルブ２１ｆ１及び２１ｇ１各々のバルブリフター又はバルブステムの位置変化を検出する。

気筒２１の燃焼室の下方には、クランク２１ｄによりシリンダ内を上下に往復運動するピストン２１ｃが配置される。複数の気筒２１のそれぞれのピストン２１ｃは、図の表示面を垂直に貫く向きに延伸する同一のクランクシャフト２１ｅにより連結される。また、クランクシャフト２１ｅが配設させるクランクケース内にはクランク角センサ１９が設けられ、検出されたクランク角は信号としてＥＣＵ１０に入力し、ＥＣＵ１０にてエンジン回転数に演算される。

また、エンジンの周囲の構成として、外部から空気をとり入れ、吸気として各気筒２１の吸気ポートへ供給するための吸気通路１５ａ上には、上流から下流の順にエアクリーナ１１、スロットルバルブ１２、サージタンク１３、及び図示されない吸気マニホールドが設けられる。更に、サージタンク１３には、エンジン２０の吸気圧を検出する吸気圧センサ１８が設けられ、検出された吸気圧は信号としてＥＣＵ１０に入力する。

複数の気筒２１における燃料の燃焼により発生した排気は、複数の気筒２１のそれぞれの排気ポートから図示しない排気マニホールドを介し、排気通路１５ｂを介して外部へと排出される。なお、排気通路１５ｂ上には、排気中の一酸化炭素、窒化酸化物等を除去するための三元触媒１４が配置されている。

また、ＥＣＵ１０は、メモリ、ＣＰＵ等を備え、図示しないアクセルペダルの操作等に対応して、エンジン２０のインジェクタ２１ａ、点火プラグ２１ｂ及びスロットルバルブ１２等の各部及び後述するオルタネータの制御を行う手段である。

次に、図２は、エンジン２０及びその周辺の補機の構成を示す図である。エンジン２０には、セルモータ３０、オルタネータ４０、及びコンプレッサその他の図視しない補機が付随している。

セルモータ３０は、バッテリ５０により動作し、主として冷間始動時にエンジン２０のクランクシャフト２１ｅを回転駆動する電動機である。セルモータ３０は出力軸にピニオンギア３１を有し、ピニオンギア３１がエンジン２０のクランクシャフト２１ｅに固定されたリングギア３２に噛合してクランクシャフト２１ｅに駆動力を伝達する。

オルタネータ４０は、エンジン２０のクランクシャフト２１ｅを回転駆動する電動機及びクランクシャフト２１ｅから駆動力の伝達を受けて発電する発電機の機能を有する。オルタネータ４０の回転軸４１は、巻掛伝動機構４２、４３及び４４を介してエンジン２０のクランクシャフト２１ｅの一端側と接続している。オルタネータ４０はアイドルストップしたエンジン２０の再始動に用いられるとともに、自動車の減速時等には回生制動としてクランクシャフト２１ｅにより駆動されて発電し、発電した電力をバッテリ５０に充電する。バッテリ５０は自動車に実装された、照明灯、ファン、ＥＰＳ（電動パワーステアリング装置）その他負荷の電源として用いられる。

更に、ＥＣＵ１０は、吸気圧センサ１８から取得したエンジン２０の吸気圧と、クランク角センサが検出したクランク角に基づき得られたエンジン回転数と、後述する制御テーブルとを用いて、オルタネータ４０の動作に際し、出力可能なトルク（以下、オルタトルクと称する）の上限を動的に制限する制御を行う。ここで制御テーブルはＥＣＵ１０のメモリに格納された、オルタトルクの制御演算に用いられる変数を与えるデータベースである。ＥＣＵ１０による制御テーブルを用いたオルタネータの４０の制御動作については後述する。

以上の構成において、エンジン２０は本発明の内燃機関に相当し、オルタネータ４０は本発明の発電機に相当し、ＥＣＵ１０は本発明のトルク制御手段に相当する。

本実施の形態の内燃機関の制御装置は、上記の構成を備えたことにより、イオン電流測定部によるイオン電流の計測によりエンジン２０の燃焼室内の燃焼状態を判断し、当該判断に基づきオルタネータ４０のトルクの上限を制限する制御を行う。すなわち、エンジン２０の出力は直接自動車の走行に用いられるもの他、オルタネータ４０その他補機の動力としても用いられる。そこで、オルタネータ４０のオルタトルクの上限を制限することにより、オルタネータ４０の出力のうち、補機側の駆動に用いられるものの割合を削減する。

これにより、当該制限により生じた出力の余剰分をエンジン回転の安定化、すなわち回転の急激な低落の抑制に振り分けることができ、従前の出力に比して過剰な出力の上昇を要することなく、エンジン２０全体としては低燃費にエンジン回転の急激な低落を抑制することが可能となる。

以下、図３のフローチャートを参照して、本実施の形態の内燃機関の制御装置によるオルタネータ４０の制御の一例について説明する。はじめに、ＥＣＵ１０は、イオン電流測定部１７によるイオン電流の計測に基づき、エンジン２０の燃焼室内の燃焼状態を判断する（Ｓ１０）。判断の具体的な手法の一例は以下の通りである。すなわち、駆動中のエンジン２０の各気筒２１において燃焼ガスの点火直後、バイアス用電源１６により点火プラグ２１ｂにバイアス電圧が印加される。これにより点火プラグ２１ｂを介して燃焼室２１ｘ内にイオン電流が発生し、イオン電流測定部１７はこのイオン電流を測定し、ＥＣＵ１０にイオン電流信号として出力する。

イオン電流の電流量は燃焼室２１ｘ内の圧力と相関があり、正常燃焼の場合は、圧縮上死点の手前で減少した後に、熱解離によって再び増加し、圧力がピークに達すると同時に極大となる。これに基づきＥＣＵ１０はイオン電流信号の時間変化を燃焼室２１ｘ内の燃焼時間に対する圧力変化として推定する。

次に、ＥＣＵ１０は、図４のグラフに示す、Ｓ１０においてイオン電流信号の時間変化に基づき得られた燃焼室２１ｘ内の最大燃焼室内の圧力変化のピーク及びその前後を与える燃焼時間Ｘと、予め設定された基準となる燃焼状態を与える基準値とを段階的に比較し、比較結果に応じて異なる制御テーブルを設定する。

ここで制御テーブルは、図５（ａ）の制御テーブル６０ａを例として、エンジン２０のエンジン回転数と吸気圧との相関をマトリックス化したテーブルであって、特定のエンジン回転数と吸気圧との組み合わせに応じて、オルタトルクの演算に必要なパラメータ（トルク（単位：Ｎ・ｍ））を与える。

再び図３に戻って、ＥＣＵ１０は、取得した燃焼時間Ｘが、条件（１）として、最小値である基準値Ａと最大値である基準値Ｂとの間にあるかどうかを判定する（Ｓ１１）。条件（１）を満たす場合は、図５（ａ）に示す、条件（１）に適合した制御テーブル６０（ａ）を設定する（Ｓ１２）。なお、条件（１）はエンジン２０が良好な燃焼状態にあることを示す。

Ｓ１１において条件（１）を満たさない場合は、条件（２）として、燃焼時間Ｘが基準値Ｂ以上であるかどうかを判定し（Ｓ１３）、条件（２）を満たす場合は、図５（ｂ）に示す、条件（２）に適合した制御テーブル６０（ｂ）を設定する（Ｓ１４）。なお、条件（２）は過燃焼であって、エンジン２０にノッキング等が発生する恐れがある状態にあることを示す。

更に、Ｓ１３において条件（２）を満たさない場合は、条件（３）として、燃焼時間Ｘが基準値Ａ以下であると判断し、図５（ｃ）に示す、条件（３）に適合した制御テーブル６０（ｃ）を設定する（Ｓ１５）。なお、条件（３）は不完全燃焼等、エンジン２０の燃焼状態が悪化していることを示す。

最後に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１２、Ｓ１４又はＳ１５により選択的に設定された制御テーブル６０ａ～６０ｃのいずれかに基づき、オルタトルクの上限を演算、設定し（Ｓ１４）、当該上限を越えないようにオルタネータ４０を動作させる。

更にＥＣＵ１０はＳ１０に戻り、エンジン２０の燃焼状態を再度判断し、上記の一連の工程を実行する。これにより、リアルタイムで変化するエンジン２０の燃焼状態に応じて、オルタトルクの上限を動的に変化させ、補機であるオルタネータ４０の出力の低下を抑えつつ、エンジン２０の出力を効率的に振り分け、エンジン回転の急激な低落を抑制することが可能となる。

更に、本実施の形態においては、以上の工程に示したように、オルタトルクの演算に際して燃焼室２１ｘの燃焼状態毎に異なる制御テーブルを選択することにより、オルタトルクの上限の動的な制限を、更に精密化して、補機であるオルタネータ４０の出力の低下を抑えつつ、エンジン２０の出力を更に効率的に振り分け、エンジン回転の急激な低落の抑制することを可能としている。

なお、オルタトルクの演算方法は任意のアルゴリズムによるものであってよいが、例として、以下の様に実行することができる。

（今回設定するオルタトルクの上限）＝（１－ｋ）×（前回設定されたオルタトルクの上限）＋ｋ（現在設定中のオルタトルクの上限）［ｋ：比率定数（０＜ｋ＜１）］

更に、比率定数ｋを変数としてこれを最適化する演算を行ってもよい。例として、図６のフローチャートに示すように、ＥＣＵ１０は、イオン電流からエンジン２０の現在の燃焼状態をモニタし（Ｓ２０）、取得した燃焼時間Ｘが、上記条件（２）にあるかどうかを判定する（Ｓ２１）。

条件（２）を満たす場合は、Ｓ２０から現在までの時間を滞在時間として計測し、図７に示す比率定数決定テーブル６１を参照して、計測した滞在時間に対応した比率定数を選択し、図３のフローチャートのＳ１４の演算を実行する。更に、ＥＣＵ１０は、エンジン２０の燃焼状態を再度モニタして（Ｓ２３）、条件（２）が変化したかどうかを判定し（Ｓ２４）、変化した場合は、滞在時間及び比率定数をリセットし（Ｓ２９）、変化しない場合は、再度Ｓ２１に戻って一連の工程を実行する。

一方、Ｓ２１にて条件（２）に該当しない場合は、条件（３）にあるかどうかを判定し（Ｓ２５）、これを満たす場合は、Ｓ２２～Ｓ２４とそれぞれ同内容の動作であるＳ２６～２８を実行する。

更に、Ｓ２５にて条件（２）に該当しない場合は、燃焼状態は条件（１）を満たすとして、比率定数の変更は行わない。

以上のように、本発明の実施の形態の内燃機関の制御装置によれば、低燃費にてエンジン回転の急激な低落を抑制することが可能になるという効果を奏する。

しかしながら、本発明は、上記の実施の形態により限定されるものではない。

上記の説明においては、ＥＣＵ１０はエンジン２０の燃焼状態に応じてオルタネータ４０のオルタトルクの上限を動的に制限するものとしたが、固定的に制限するものとしてもよい。

上記の説明においては、エンジン２０の燃焼状態はイオン電流の検出により行うものとしたが、圧力計その他の手段により行うものとしてもよい。

更に、上記の説明においては、本発明の発電機はオルタネータ４０であるとしたが、エンジン２０の補機としてその駆動力により発電する発電機であれば、ハイブリッド自動車のモータその他任意の発電機であってもよい。

更に、上記の説明においては、本発明は、内燃機関としてのエンジン２０を搭載した自動車において実施されるものとしたが、本発明は、駆動力の一部を発電機の駆動に用いる内燃機関を制御対象とするものであればよく、その他の具体的構成に限定されない。したがって、本発明は、内燃機関のみで動作する車両、内燃機関と電動機とを備えたハイブリッド車両にて実施してもよく、二輪車、列車、その他の車両、船舶、航空機他、駆動力の一部を発電機の駆動に用いる内燃機関で動作可能な任意の機械類において実施してもよい。

以上のように、本発明は、駆動力の一部を発電機の駆動に用いる内燃機関の制御装置であって、前記発電機のトルクの上限を、前記内燃機関の燃焼室内の燃焼状態に応じて制限する制御を行うトルク制御手段を備え、前記トルク制御手段は、前記内燃機関の燃焼室内の圧力変化のピーク及びそのピークの前後を与える燃焼時間を、前記内燃機関の燃焼室内のイオン電流の測定に基づき推定し、推定した前記燃焼時間を、予め設定された基準となる燃焼状態を与える基準値の最小値である最小基準値及び最大値である最大基準値の各々と比較することにより、前記内燃機関の燃焼室内の燃焼状態を判定するものであり、前記燃焼時間が、前記最小基準値以下である場合である場合、第１の燃焼状態と判定し、前記燃焼時間が、前記最小基準値よりも大きく、且つ、前記最大基準値よりも小さい場合、第２の燃焼状態と判定し、前記燃焼時間が、前記最大基準値以上である場合、第３の燃焼状態と判定し、前記第１の燃焼状態、前記第２の燃焼状態及び前記第３の燃焼状態の各々に応じた互いに異なる制御に基づき、前記発電機のトルクの上限を制限するものであればよく、その他の具体的な目的、用途、構成によって限定されるものではない。

したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲内であれば、以上説明したものを含め、上記実施の形態に種々の変更を加えたものとして実施してもよい。

以上のような本発明は、低燃費にてエンジン回転の急激な低落を抑制することが可能になるという効果を奏し、例えばエンジン自動車やハイブリッド自動車等の車両への適用において有用である。

１０ ＥＣＵ
１１ エアクリーナ
１２ スロットルバルブ
１３ サージタンク
１４ 三元触媒
１５ａ 吸気通路
１５ｂ 排気通路
１６ バイアス用電源
１７ イオン電流測定部
１８ 吸気圧センサ
１９ クランク角センサ
２０ エンジン
２１ 気筒
２１ａ インジェクタ
２１ｂ 点火プラグ
２１ｃ ピストン
２１ｄ クランク
２１ｅ クランクシャフト
２１ｆ 吸気カムシャフト
２１ｆ１ 吸気バルブ
２１ｇ 排気カムシャフト
２１ｇ１ 排気バルブ
２１ｘ 燃焼室
３０ セルモータ
３１ ピニオンギア
３２ リングギア
４０ オルタネータ
４１ 回転軸
４２～４４ 巻掛伝動機構
５０ バッテリ
６０ａ～６０ｃ 制御テーブル
６１ 比率定数決定テーブル

Claims (2)

1. 駆動力の一部を発電機の駆動に用いる内燃機関の制御装置であって、
   前記発電機のトルクの上限を、前記内燃機関の燃焼室内の燃焼状態に応じて制限する制御を行うトルク制御手段を備え、
   前記トルク制御手段は、
   前記内燃機関の燃焼室内の圧力変化のピーク及びそのピークの前後を与える燃焼時間を、前記内燃機関の燃焼室内のイオン電流の測定に基づき推定し、
   推定した前記燃焼時間を、予め設定された基準となる燃焼状態を与える基準値の最小値である最小基準値及び最大値である最大基準値の各々と比較することにより、前記内燃機関の燃焼室内の燃焼状態を判定するものであり、
   前記燃焼時間が、前記最小基準値以下である場合である場合、第１の燃焼状態と判定し、
   前記燃焼時間が、前記最小基準値よりも大きく、且つ、前記最大基準値よりも小さい場合、第２の燃焼状態と判定し、
   前記燃焼時間が、前記最大基準値以上である場合、第３の燃焼状態と判定し、
   前記第１の燃焼状態、前記第２の燃焼状態及び前記第３の燃焼状態の各々に応じた互いに異なる制御に基づき、前記発電機のトルクの上限を制限するものである、
   内燃機関の制御装置。
2. 前記トルク制御手段は、
   前記内燃機関の燃焼室内の燃焼状態を前記第１の燃焼状態又は前記第３の燃焼状態であると判定した場合、
   前記内燃機関の燃焼室内の燃焼状態の推定開始時から前記判定時までの時間を滞在時間として計測し、前記滞在時間に対応する定数又は変数を用いて、
   前記発電機のトルクの上限の制限に用いる、前記内燃機関の回転数と吸気管圧力との関係を設定する、
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
   

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